Научное открытие - электродинамическая индукция
Информация - Математика и статистика
Другие материалы по предмету Математика и статистика
Научное открытие - электродинамическая индукция
Дюдкин Дмитрий Александрович, профессор, д.т.н., Лауреат Государственной премии Украины в области науки и техники.
Для современного уровня познания физики возникновения электрических токов является аксиомой невозможность обеспечения кулоновским электрическим полем (поле, создаваемое электрическими зарядами, электростатическое поле) устойчивого электрического тока в проводнике. Перенос носителей в цепи постоянного тока возможен лишь с помощью сил не электростатического происхождения. Это, так называемые, сторонние силы. Природа сторонних сил может быть самой разнообразной. Например, в движущемся проводнике это сила Лоренца, действующая со стороны магнитного поля на электроны, в генераторах электричества сторонняя сила имеет магнитную природу; в гальваническом элементе типа элемента Вольта действуют химические силы. В электромагнитной теории сторонние силы определены следующим положением: "Любые силы, действующие на электрически заряженные частицы, за исключением потенциальных сил электростатического происхождения, т.е. кулоновских, называют сторонними силами" [1,2].
Отметим, что сила Лоренца в электромагнитной индукции, сама по себе не может обеспечить постоянного тока в проводнике для возникновения тока необходимо относительное перемещение магнитного поля и проводника.
Вопреки существующему положению покажем, что при относительном перемещении кулоновского (электростатического) поля и проводника в системе также имеет место перемещение носителей зарядов.
Исследования по изучению взаимодействия зарядов проводника и кулоновского поля при их относительном перемещении [3], проводились на разработанных и изготовленных, не имеющих аналогов, экспериментальных моделях с использованием проводников различной формы (сферические, плоские и др.), с электронной и ионной проводимостью. Установки были снабжены или неоновой лампочкой, загорание которой служило индикатором наличия тока, или использовались стандартные приборы (электрометр, гальванометр), которые фиксировали наличие тока, его величину и направление.
В данном изложении приводится описание одного из экспериментов, наиболее просто демонстрирующем суть полученных результатов. Известно, что если токопроводящий шар внести в потенциальное электростатическое поле, то в нем произойдет перераспределение зарядов по закону электростатической индукции (рис. 1). В наших экспериментах шару придали вращение, что ранее никем не рассматривалось.
Рис. 1. Экспериментальная модель возбуждения индукционного тока в токопроводящем шаре
В процессе вращения перераспределенные заряды, под действием внешнего поля будут оставаться на стороне, обращенной к внешнему полю. В данном случае заряды остаются на месте, а проводник, которому принадлежат эти заряды, движется. В шаре возбуждается ток.
Для демонстрации возбуждения в шаре тока поверхность шара, изготовленного из диэлектрика, была обклеена полусферами из алюминиевой фольги с зазором 3 мм и произведено их соединение через неоновую лампочку, которая являлась индикатором тока.
При вращении шара лампочка горит!
Нетрудно представить, что при вращении источника кулоновского поля вокруг проводника (шара) лампочка также будет гореть. В этом случае источник внешнего поля "тянет" за собой свободные заряды проводника.
Для определения количественных характеристик индукционного тока в проводнике изготовили подобную установку, в которой индуцированные кулоновским полем заряды перемещались по замкнутому контуру через гальванометр [4]. При этом изменяли скорость вращения шара и напряженность электростатического поля. Результаты экспериментов показали, что величина возникающего электрического тока прямо пропорциональна частоте вращения проводника и растет с увеличением напряженности кулоновского поля. Этим свойствам удовлетворяет , т.е. скорость изменения потока вектора , пронизывающего поверхность проводника (фиксированного сегмента). При этом
, (1)
где Sc площадь поверхности сегмента;
a угол между направлением вектора и нормалью к рассматриваемой
поверхности.
Действительно:
, (2)
где En = E cosa .
При стационарном кулоновском поле , (3)
поэтому . (4)
Это выражение доказывает характерность выделенных свойств для величины N и справедливо для произвольного проводника, который движется во внешнем кулоновском поле. Если проводник сферический и вращается с постоянной частотой, то из (4) следует:
(5)
Здесь: w частота вращения сегмента (проводника);
R радиус сферы;
единичный вектор угловой скорости вращения;
единичный радиус-вектор точек поверхности сферы.
Градиент величины Е, т.е. , возрастает, как известно, при увеличении Е. Итак:
Э.Д.С. ~ I ~ . (6)
Из выражения (5) следует, что Э.Д.С., I и увеличиваются при росте модуля скорости относительного перемещения проводника и источника кулоновского поля.
С учетом всех проведенных экспериментальных исследований сформулировано основное положение: "Электродвижущая сила, возникающая в контуре, прямо пропорциональна скорости изменения потока напряженности электростатического поля через любую поверхность, опирающуюся на данный контур. При возбуждении тока существенно лишь относительное перемещение проводника и электрического поля кулоновской природы".
В октябре 2000 г. Международной Ассоциацией авторов научных открытий (г. Москва) на ос?/p>